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碲化镉薄膜太阳能电池产业发展现状(一)

供稿人:董瑞青  供稿时间:2013-6-28   关键字:碲化镉  薄膜太阳能电池  发展现状  
晶体硅和薄膜太阳能电池是现在乃至未来十年的两大主要技术阵营,晶体硅太阳能电池以高转化效率在过去和现在都主导着全球光伏市场。2011年以来,全球光伏产业在经历高速发展后,带来的是产能严重过剩,多晶硅价格暴跌,大批晶硅太阳能电池企业破产、重组或裁员。在上述背景下,高效而廉价的碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池因其本身所固有的良好材料性能和自身实践,而被越来越多的投资者所关注,有可能成为未来光伏电池的主流产品之一。
 
一、碲化镉薄膜太阳能电池概况
一般而言,基于光吸收层材料体系的不同,薄膜太阳能电池主要分为硅基薄膜太阳能电池(如,非晶硅、微晶硅及多晶硅薄膜电池等)、化合物薄膜太阳电池(如,碲化镉、铜铟镓硒及砷化镓薄膜电池等)、有机和染料敏化太阳能电池三类。其中,碲化镉薄膜电池是一种以P型碲化镉(CdTe)和N型硫化镉(CdS)的异质结为基础的太阳能电池[1]。碲化镉为Ⅱ-Ⅳ族化合物,是直接带隙半导体,光吸收强,其禁带宽度与地面太阳光谱有很好的匹配,最适合于光电能量转换,可吸收95%以上的太阳光,是一种良好的太阳能电池材料[2]。在各类薄膜光伏电池中,硅基薄膜光伏电池的转换效率最低,且存在光致衰减的固有缺陷,加之生产设备投资大,因此其成本短时间内难有明显下降;尽管铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池的转换效率最高,但是其发展受困于生产成本较高、工艺未标准化、铟和镓的蕴藏量有限等问题;而碲化镉(CdTe)薄膜光伏电池由于生产成本低、性能稳定,转换效率也比硅基薄膜电池高,其规模化量产具有很高的性价比。因此,碲化镉薄膜电池得到了较快发展。具体来看,碲化镉薄膜电池主要有以下几方面优点。
 
一是制造成本低。与其他太阳能电池相比,碲化镉薄膜电池具有较低的制造成本,这主要是由其电池结构、原材料及制造工艺等方面决定的。首先,碲化镉薄膜电池是在玻璃或是其它柔性衬底上依次沉积多层薄膜而形成的光伏器件。与其他太阳能电池相比,碲化镉薄膜太阳能电池结构比较简单,一般而言,其电池由五层结构组成,即玻璃衬底、透明导电氧化层(TCO层)、硫化镉(CdS)窗口层、碲化镉(CdTe)吸收层、背接触层和背电极(见图1)。碲化镉薄膜电池的简单结构大大缩短了生产时间,使制造成本明显下降。据美国First Solar公司数据显示,碲化镉薄膜太阳能电池组件(从玻璃衬底的安装到电池组件出货)的全流程生产时间小于2.5小时。其次,碲化镉的吸收系数在可见光范围高达105/cm(高于硅材料100倍),太阳光中有99%的能量高于碲化镉禁带宽度的光子可在2mm(微米)厚的吸收层内被吸收,因此碲化镉薄膜太阳能电池理论上吸收层厚度在几个微米左右,原材料消耗极少,因而碲化镉电池制造成本较低。最后,碲化镉属于简单的二元化合物系统,容易生产单相材料,制备方法容易实施,有效降低了制造成本。目前已有10种以上的技术可制备转换效率10%以上的碲化镉小面积电池,其中已有5种技术用于产业化生产。特别是近距离升华(CSS)和气相输运沉积(VTD)技术,具备沉积速率高(3-10mm/min)、膜质好、晶粒大、原材料利用率高(>85%)等优点,特别适合大规模生产。
图1  碲化镉薄膜太阳能电池结构示意图
资料来源:First Solar公司。
 
二是转换效率高。与晶硅、砷化镓等其他类型的太阳能电池相比,碲化镉薄膜太阳能电池具有最高的理论光电转换效率,约为30%(见图2)。从实验室转换效率看,碲化镉薄膜电池的实验室转换效率已经不断接近晶体硅太阳能电池。2013年4月9日,经美国能源部下属国家可再生能源实验室(NREL)验证,美国First Solar公司碲化镉薄膜太阳能电池转换效率达到18.7%,总面积组件效率达到16.1%,均创下新的世界纪录。从商业化产品转换效率看,在各类薄膜太阳能电池中,量产碲化镉薄膜电池的最高转换效率仅次于铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池。目前,全球量产薄膜太阳能电池的平均转换效率约为10%,其中,量产CIGS、CdTe及非晶硅/微晶硅薄膜太阳能电池组件的最高转换效率分别为15.5%、13.1%、9.8%(见图3)。

图2  各类太阳能电池材料的理论光电转换效率
资料来源:First Solar公司。
 

图3  目前全球各类量产太阳能电池组件最高转换效率及其制造商
注:全球目前各类量产太阳能电池组件最高转换效率数据均来自于各大公司网站相关光伏电池组件产品数据统计。目前First Solar公司最先进的碲化镉薄膜电池组件产品是FS-392(FS Series 3TM),该产品在标准测试条件下的转换效率为12.8%。
资料来源:各大公司网站。值得注意的是,我们上述所列举的全球各类太阳能电池制造商是现存的没有破产的企业[3]
 
三是温度系数低。实践表明,当组件温度上升,所有太阳能电池将会出现性能损失,这主要是由于太阳能电池开路电压的下降。温度系数(Temperature Coefficient)是指太阳能电池组件输出功率随着工作温度的升高而变化的速率。一般而言,晶体硅太阳能电池组件的温度系数为-0.45%/℃至-0.50%/℃,即组件温度每升高1℃,太阳能电池组件的输出功率降低0.45%至0.50%[4]。而碲化镉薄膜太阳能电池组件的温度系数约为-0.25%/℃,比晶体硅太阳能电池低一半左右,所以更适合于高温、沙漠及潮湿地区等严苛应用环境。较低的温度系数意味着碲化镉薄膜电池组件的输出功率更不易受气温影响,也就代表着碲化镉薄膜电池在更高的温度下能提供更多的能量。美国First Solar公司实验数据显示,当电池组件温度低于25℃时,多晶硅太阳能电池组件的性能表现(用直流电源输出功率与在标准测试条件下的额定功率之比来表示)要优于碲化镉太阳能电池组件;当电池组件温度高于25℃,碲化镉太阳能电池组件的性能表现要优于多晶硅电池(见图4)。如,在电池组件温度达到65℃(比标准温度高40℃)时,传统晶硅太阳能电池组件的输出功率减少了20%,而First Solar公司碲化镉薄膜太阳能电池组件仅减少约10%。这就意味着在炎热的夏天或者高温地区,碲化镉太阳能电池的实际发电量比晶硅太阳能电池要高。

图4  碲化镉与多晶硅太阳能电池直流电源输出功率与组件温度关系图
资料来源:First Solar公司。
 
四是弱光效应好。碲化镉薄膜电池的弱光效应是其较于晶硅电池的另一大显著优势。由于碲化镉薄膜电池的光谱响应范围较宽,因此对弱光的敏感度高,具有较好的弱光效应,使其无论在清晨、傍晚,还是阴云雨天等弱光环境下都能发电。因此,碲化镉薄膜电池每天具有比晶硅电池长得多的发电时间,其实际发电量要高于晶硅电池,这就补足了其发光效率相对较低的不足。
 
五是环境友好。大量的研究表明,碲化镉(CdTe)薄膜电池组件是环保友好的产品。CdTe不同于有毒元素镉(Cd),是稳定的化合物,能被安全使用。CdTe薄膜组件中CdTe用量很小,1MW碲化镉组件仅需约250kg的碲化镉。CdTe被密封在两块玻璃之间,常温下没有镉的释放。即使在1100℃的高温下,根据美国Brookhaven国家实验室(BNL)报告,99.96%的CdTe都被熔化的两块玻璃封住而没有泄露。比较其他几种太阳能电池及其他能源,在碲化镉太阳能电池组件制备和使用全寿命周期内,总的镉排放量为最低(见图5)。欧洲PV Accept Project报告显示,碲化镉薄膜电池的能量回收期仅为10.8个月,美国First Solar公司的实践也已证明其为10个月,而晶体硅电池的能量回收期则为2.5-3年[5]。碲化镉薄膜电池组件生产厂商回收废旧碲化镉组件,并应用已开发的废旧组件再利用技术,可重新利用其中的主要原材料,这样既加强环保又逐步实现循环经济的发展模式。2011年,欧盟已经豁免了RoHS(全称为《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》)的要求,大量碲化镉电池组件已广泛应用于德国、西班牙、意大利等一些欧盟国家。

图5  各种光伏系统和能源在制造和使用全寿命期镉的排放
注:GWh是电功的单位,1GWh=106KWh(千瓦时)。UCTE是指欧洲输电协调联盟。
资料来源:龙焱能源科技(杭州)有限公司。
 
虽然碲化镉薄膜太阳能电池具有工艺简单、易规模化生产、性能稳定、成本低、效率高等优势,但也面临着以下几方面的突出问题。
 
一是碲化镉(CdTe)本身的局限性。首先,是因为CdTe本身具有很强的自补偿效应,很难像硅等半导体一样通过掺入杂质元素,电控电学性能。其次,CdTe载流子浓度低,薄膜电阻率大,因而影响电池的电流输出。最后,CdTe的功率函数高达5.5eV,与寻常背电极金属材料难以形成欧姆接触。
 
二是关键原料碲(Te)的供应不足。从原材料的稀缺性角度考虑,碲(Te)的天然蕴藏量有限将会制约碲化镉薄膜太阳能电池的长期发展。碲(Te)是一种银白色稀有类金属元素,主要伴生于铜、铅锌等金属矿产中,广泛应用于冶金、电子、化学、玻璃等产业领域。工业上,碲主要是从电解铜或冶炼锌的废料中回收得到。目前,国内外对全球碲的地质储量莫衷一是。据美国地质调查局(USGS)数据显示,全球碲的储量仅为2.4万吨左右,主要分布在美国、秘鲁、加拿大等国家和地区。而我国国内相关报道认为,全球碲的地质储量为14.9万吨,我国碲储量约为2.2万吨,居全球第三位,主要集中于广东、江西、甘肃等省。我们姑且认为,全球碲的储量在2.4万吨和14.9万吨之间。如果按照制造1MW薄膜太阳能电池组件约需130-140公斤碲来测算的话,那么根据碲的上述探明储量范围(2.4-14.9万吨),地球上的碲资源可以供100个年生产能力为100MW的生产线用17年到115年之间。因此,乐观看来,全球碲资源储量是可以满足生产需求的。但如果从经济层面考虑,碲原料价格的不断上涨却成为碲化镉电池产业发展的一大桎梏。2000年,当全球碲化镉薄膜太阳能电池还没有大规模生产时,碲原料价格每公斤仅为34.4美元,全球产量为110吨。但随着碲化镉薄膜电池产业的快速发展,碲原料的价格不断攀升,2011年全球碲原料平均市场价格为每公斤349.0美元。12年间,全球碲原料价格上涨了十多倍(见图6)。当前全球只有美国First Solar量产碲化镉电池,年产量约为1900MW。但是,如果今后有的新的厂家大量涌现,全球碲化镉电池的产能不断扩大,那么这种稀缺性原材料碲的市场价格必然会疯狂上涨,继而导致碲化镉薄膜电池的生产成本不断增加,电池的经济性也将不断降低。

图6  2000-2012年全球碲原料平均市场价格(美元/公斤)
注:由于2012年全球光伏市场的持续低迷,碲化镉化合物太阳能电池和化合物半导体领域对碲的需求下降,碲的价格出现大幅下跌。
资料来源:美国地质调查局(USGS)“Historical Statistics for Mineral and Material Commodities in the United States”。
 
参考资料:
 
[1] First Solar公司网站。
[2] 美国地质调查局(USGS)“Historical Statistics for Mineral and Material Commodities in the United States”.


[1] 异质结是指两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。按照两种材料的导电类型不同,异质结可以分为同型异质结(P-p结或N-n结)和异型异质(P-n或p-N)结。异质结通常具有两种半导体各自的PN结都不能达到的优良的光电特性,使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池及半导体激光器等。
[2] 带隙是指导带的最低点和价带的最高点的能量之差,也称能隙。带隙越大,电子由价带被激发到导带越难,本征载流子浓度就越低,电导率也就越低。
[3] 2013年,中国民营企业汉能集团完成对美国MiaSole公司的并购。完成收购后,MiaSole成为汉能集团的全资子公司。2012年全球第一大硅基薄膜太阳能电池制造商美国United Solar Ovonic公司及其母公司美国能源转换设备公司(Energy Conversion Devices)破产重组。美国United Solar Ovonic公司与天津市津能投资公司合资成立尤尼索拉津能(天津)能源有限责任公司。据我们调查了解,目前尤尼索拉津能(天津)能源有限责任公司非晶硅薄膜太阳能电池组件产品的最高转换效率为8%。
[4] 目前,我国英利集团的熊猫系列单晶硅太阳能电池组件峰值功率(Pmax)的温度系数为-0.42%/℃,NH系列多晶硅电池的峰值功率温度系数为-0.45%/℃。而美国Sunpower公司E20系列单晶硅太阳能电池的峰值功率温度系数为-0.38%/℃。
[5] 能量回收期(EPT)是指一个光伏发电系统全寿命周期内所消耗的能量除以该系统的年平均能量输出,单位为年。即光伏发电系统几年内能把自己寿命周期内消耗的能量回收回来。显然,能量回收期越短越好。能量回收期是判断可再生能源的重要指标之一。

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